민 경 소 공학박사 라파즈한라시멘트(주) 기술연구소 소장 1. 서론 19세기 인류 최고의 발명품 중 하나로 여겨지는 현재와 같은 포틀랜드 시멘트가 개발된지도 벌써 약 180여년이 되었고, 이 긴 역사 만큼이나 시멘트산업도 많은 발전을 이루어 왔고 현재도 더욱 발전을 위해 지속적인 노력들이 진행중이다. 특히 우리나라는 세계 5위의 시멘트 생산국이면서도 시멘트/콘크리트에 대한 잘못된 인식이 많이 자리잡고 있다. 이제 시멘트산업의 시장규모, 제조기술, 새로운 제품에 대한 연구 등 여러 가지 측면에 있어서 과거와 현재를 살펴봄으로서 향후 우리가 시멘트산업의 발전을 위해 해야 할 일들에 대해 알아보도록 한다. 2. 시멘트산업의 시장규모 그림 1에 1991년부터 2004년까지의 실적과 2001년부터 2010년까지의 시멘트 내수에 대한 산업연구원의 예상을 함께 나타내었다. 1919년 연산 6만 톤의 습식 kiln 1기로 시작한 우리나라의 시멘트산업은 1960년대 경제개발 5개년 계획으로 한차례 도약하였고 지속적인 성장을 거듭해왔다. 특히 80년대 말부터 사회 간접자본의 확충과 대규모 주택건설 등에 따라 시멘트 내수규모는 19 97년 6,175만 톤에 이르러 중국, 인도, 미국, 일본에 이어 세계 5위의 시멘트 생산국이 되었다. 그러나 1998년도에는 외환위기에 따른 건설경기의 위축으로 전년대비 27.8% 감소하여 4,460만 톤으로 급감하였다. 1998년 이후부터 조금씩 회복추세를 보여왔고 2002년 2003년에는 산업연구원의 예상을 초과하여 2003년 5,830만 톤의 출하로 1997년 최대 출하량의 94.4%까지 회복되었다. 그러나 올해는 전년대비 5.7% 하락한 5,500만 톤 규모의 시장이 될 전망이며 산업연구원의 예상치 보다 약 230만톤 가량 미달될 것으로 예상된다. 이에 대한 주된 이유로는 건설경기의 하락, 수입시멘트의 급증 및 슬래그 미분말 사용의 확대 등을 들 수 있다. 삼성경제연구소에 따르면 2005년도 우리나라의 연간 경제성장률은 3.7%, 특히 민간소비는 2.1%로 매우 낮은 수준에 머무를 것으로 예상되어 앞으로도 시멘트 내수에는 결코 밝은 전망이 보이지 않는다. 따라서 2007년도에 7,000만 톤 이상이 될 것이라고한 산업연구원의 예상치에는 크게 못 미칠 것으로 예상되며 이에 대한 대책을 서둘러야 한다. 수입시멘트의 경우를 살펴보면 국내시장 점유율은 금년 8월 누계기준으로 6.1%를 차지하여 2003년도 동기간 대비 240%나 급증하였다. 6.1% 중 중국산 시멘트가 4.2%를 차지하고 있으며 일본산 시멘트는 수입시멘트의 1.9%를 차지하고 있다. 중국은 2001년 6.6억 톤, 2002년 7.25억 톤을 생산하였고 2003년 상반기에는 전년 동기대비 15.6%의 상승률을 나타내고 있다. 이러한 급격한 성장은 2008년 북경 올림픽까지 지속될 것으로 보여지며 그 이후 한국 시멘트산업에 미치는 영향은 더욱 커지리라 예측된다. 일본은 2000년 8,330만 톤의 시멘트를 생산하였으나 2003년 7,380만 톤을 생산하는데 그쳤으며 2003년 일본내 수요는 6,012만 톤으로 32년 만에 최저치를 기록하였다. 이러한 내수 급감에 따라 수출로 눈을 돌려 대 한국 수출물량이 143.3%, 대 말레이시아 수출물량이 190.1% 급증하는 등 수출확대에 노력하고 있다. 3. 시멘트 제조기술 시멘트는 최초 Shaft kiln에 의해 비연속 공정으로 제조되었기 때문에 모든 작업이 수작업으로 이루어져 비효율적이며 열손실 또한 많았다. 이를 개선하기 위해 1885년 Rotary kiln이 도입되었으나 직경 50cm, 길이 4.5m의 소형설비였다. 최근 국내에 도입된 kiln이 직경 5.8m, 길이 94m이니 그 사이 설비의 크기가 용적기준으로 3,000배 정도 커졌음을 알 수 있다. 이러한 설비의 대형화와 함께 열효율 또한 향상되었다. 이론상 clinker 1kg을 제조하기 위해서는 420kcal가 필요한 것으로 계산되어지나, 초기 건식 kiln은 이론 열량의 약 6배인 2,400kcal가 소요되었다. 그러나 현재에는 700kcal대로 낮아졌다. 시멘트 제조에 있어서 열량을 이론열량에 근접시켜야 하는 이유는 시멘트 산업이 에너지 다소비형 산업이며 화석연료를 주로 사용하여 CO2 방출이 많은 산업 중의 하나이기 때문이다. 특히 우리나라는 모든 유연탄을 수입에 의존하고 있으며 그 80% 이상이 중국에서 수입되고 있다. 최근 중국의 유연탄 수출물량 제한에 따라 가격상승 및 수급난에 직면하고 있다. 따라서 시멘트 제조에 있어서 얼마나 전력 및 열원단위를 감소시킬 수 있는가가 최근의 과제로 대두되고 있다. 시멘트 제조기술의 발달과 더불어 시멘트의 품질 또한 개발 초기인 1800년대 약 50kg/cm2의 압축강도에서 최근 600kg/cm2까지 커다란 발전을 이루어 왔다. 이러한 시멘트 품질의 개선은 건축/토목분야의 고강도화와 특수시멘트 제조를 가능케하여 시멘트의 적용에 있어 새로운 영역을 확대하는데 공헌을 하게 되었다. 4. 특수 기능을 가진 시멘트/콘크리트의 개발 최근 콘크리트의 고품질화의 일환으로 콘크리트의 최대 단점인 무게를 줄이고 강도를 높이려는 시도가 활발히 진행되어 왔다. 미국에서 1975년 262m 높이의 Water Tower Palace에 60MPa의 고강도 콘크리트를 적용한 것을 시발로 1988~89년 시애틀의 58층 건물인 Two Union Square에 120MPa의 고강도 콘크리트가 시공되었다. 국내에서는 2002년 한강 양화지구 시민공원과 선유도 공원에 이르는 길이 150m의 보행자 전용다리에 초고강도 재료인 Ductal이 최초로 적용되었다. 이 교량에 적용된 콘크리트의 강도는 1,800kg/cm2이었으며, 이러한 초고강도의 콘크리트의 적용으로 교량상판의 두께를 3cm로 줄일 수 있었다. 또한 일반 포틀랜드시멘트만을 사용해 오던 사회는 시멘트의 기능향상과 새로운 용도개발을 위해 새로운 기능을 갖는 시멘트를 개발/제조할 필요성을 느끼게 되었다. 이에 따라 백색 포틀랜드시멘트, 알루미나시멘트가 개발되었고, 1960년대부터 80년대에 걸쳐 팽창시멘트, 초속경시멘트, 유정/지열정시멘트, 시멘트계 고화제 등 특수한 기능을 가진 새로운 시멘트 제품이 속속 개발, 사용되었다. 최근에는 인간의 생명과 건강이 중시되고 있는 것과 함께 인공관절, 인공뼈, 인공치근, 정형외과용 뼈시멘트 등 시멘트계 생체재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 즉, 새로운 기능을 갖는 재료의 개발 뿐 아니라 이들을 적용할 수 있는 최적의 시공방법의 개발에도 힘을 쏟아야 할 것이다. 5. 시멘트산업과 환경 산업의 발달과 더불어 천연자원의 이용이 증가하게 됨에 따라 자원이 고갈되고, 인간생활과 산업환경으로부터 발생하는 폐기물은 과다해져 우리의 삶의 터전이 파괴되고 있어 전 세계적으로 환경문제에 대응하고 있다. 특히 시멘트산업은 대표적인 환경파괴산업으로 인식되어 왔으나, 최근 시멘트산업도 이러한 추세에 따라 비산먼지 및 소음 등과 같은 자체 발생 오염원을 줄이려는 기존의 노력에 더해 타 산업에서 발생하는 폐기물을 연료화 및 원료화하는 적극적인 방법, 이른바 Co-incineration(Co-processing)의 개념을 도입하여 CO2 가스의 저감 및 천연자원의 보호에 노력하고 있다. (그림 2 참조) 시멘트 산업에서 폐기물 처리시 가장 큰 장점은 시멘트 kiln이 안전한 소각처리 장치라는 것이다. 시멘트 kiln내의 가스온도는 약 2,000℃에 이르며 체류시간도 6초 정도로 매우 길기 때문에 다이옥신과 같은 유해가스의 배출문제가 없으며 중금속은 clinker내에 고용되어 밖으로 용출될 위험이 없다. 특히 일본에서는 2000년을 ‘순환형 사회 원년’으로 삼고 zero emission을 지향하고 있으며 시멘트 산업이 이 일에 중추적인 역할을 담당하고 있으며 21세기에도 더욱 큰 역할을 담당하게 될 것이다. 국내에서도 1998년 시멘트 소성로가 폐기물 중간처리 시설 중 소각시설로 인정 받게 됨에 따라 적극적인 자원재활용을 추진하여 2002년도에는 고로 슬래그, 석고류 등을 포함하여 천만톤 이상의 자원을 재활용하였고 향후 더욱 확대될 전망이다. 6. 결론 이상에서 살펴본 것을 정리하여 시멘트 산업이 앞으로 나아갈 길을 살펴보면 수급측면에서는 지속적인 생산/물류의 합리화를 통해 저가로 밀려오는 수입시멘트에 대해 가격 경쟁력을 확보해야 하며 새로운 사용처의 개발에 적극 노력하여 시멘트의 적용범위를 확대해야 한다. 또한 자원 재활용사업을 지속적으로 확대하여 친 환경산업으로의 이미지를 구축해야 한다. 이와 더불어 시멘트/콘크리트에 대해 지금까지 잘못 알려진 인식들(예를들면 시멘트산업은 환경파괴산업이다. 시멘트/콘크리트의 사용에는 별 기술이 필요 없다. 대형 구조물에 콘크리트를 사용하는 것은 비경제적이다. 콘크리트로 된 구조물은 유지관리 비용이 많이 든다 등)을 전환하는데 적극 노력해야 할 것이다. 필자약력 한양대학교 대학원 무기재료공학과 공학박사 한양대학교 산업과학연구소 선임연구원 생산기술연구원 위촉연구원 라파즈한라시멘트(주) 기술연구소 소장